ASIC半导体芯片基础知识

ASIC半导体芯片基础知识系统的需求，从根级设计、制造的专有应用程序芯片，其计算能力和计算效率可根据算法需要进行定制，是固定算法最优化设计的产物°ASIC芯片模块可广泛应用于人工智能设备、虚拟货币挖矿设备、耗材打印设备、军事国防设备等智慧终端。在硬件层面，ASIC芯片由基本硅材料、磷化镓、砷化镓、氮化镓等材料构成。在物理结构层面，ASIC芯片模块由外挂存储单元、电源管理器、音频画面处理器、网络电路等IP核拼凑而成。同一芯片模组可搭载一个或几个功能相同或不同的ASIC芯片，以满足一种或多种特定需求。ASIC芯片分类（1）根据定制程度不同，ASIC芯片可被分为全定制ASIC芯片、半定制ASIC芯片及可编程ASIC芯片。结构化门降列有信值门阵列无信道门阵列全定制ASIC芯片全定制ASIC芯片是定制程度最高的芯片之一，研发人员基于不同电路结构设计针对不同功能的逻辑单元，于芯片板搭建模拟电路、存储单元、机械结构。逻辑单元之间由掩模版连接，ASIC芯片掩模版也具备高度定制化特点。全定制化ASIC芯片设计成本较高，平均每单位芯片模块设计时间超过9周。该类芯片通常用于高级应用程序。相对半定制化ASIC芯片，全定制化ASIC芯片在性能、功耗等方面表现优秀。如应对相同功能，在同种工艺前提下，全定制化ASIC芯片平均算力输出约为半定制化ASIC芯片平均算力输出的8倍，采用24纳米制程的全定制化ASIC芯片在性能上优于采用5纳米制程的半定制化ASIC芯片。半定制ASIC芯片构成半定制ASIC芯片的逻辑单元大部分取自标准逻辑单元库，部分根据特定需求做自定义设计。相对全定制ASIC芯片设计成本较低，灵活度较高。根据标准逻辑单元和自定义逻辑单元数量搭配模式不同，半定制ASIC芯片可细分为门阵列芯片和标准单元芯片。a、门阵列芯片门阵列ASIC芯片包括有信道门阵列、无信道门阵列和结构化门阵列。门阵列ASIC芯片结构中硅晶片上预定晶体管位置不可改变，设计人员多通过改变芯片底端金属层等方式调整逻辑单元互连结构。有信道门阵列ASIC芯片：该类芯片晶体管位置高度固定，设计人员可在晶体管行之间预定义的空白空间进行电路布局；

我滤:耳希娜舟部藉座口口口口口基册单元厂我滤:耳希娜舟部藉座口口口口口基册单元厂空白区间\ )品休莒行无信道门阵列ASIC芯片：无信道结构下，晶体管行之间不存在电路布局空间，设计人员通常于门阵列单元上方进行布线;□O□□无空白信道豌/单元(口口口口口口/电路布局空间，设计人员通常于门阵列单元上方进行布线;□O□□无空白信道豌/单元(口口口口口口/结构化门阵列ASIC芯片：该结构包括基本门阵列行及嵌入块。嵌入块可提高线路布局灵活度，但对芯片体积构成限制。该结构下，线路布局面积使用效率较高，设计成本较低，周转时间较短。

b、标准单元该类ASIC芯片由选自标准单元库的逻辑单元构成。设计人员可按算法需求自行布置标准单元。除标准单元外，微控制器、微处理器等固定块也可用于标准单元ASIC芯片架构。标准单元库逻酮单元标准单元库逻酮单元可编程ASIC芯片广义而言，可编程ASIC芯片可分为FPGA芯片和PLD芯片。在实际生产过程中，将FPGA芯片列为不同于ASIC芯片的研究机构和企业数量不断增加，故本报告仅将PLD（ProgrammableLogicDevice）视为可编程ASIC芯片子类别。PLD亦称可编程逻辑器件，在结构上包括基础逻辑单元矩阵、触发器、锁存器等，其互连部分作为单个模块存在。设计人员通过对PLD进行编程以满足部分定制应用程序需求。（2）ASIC芯片可根据终端功能不同分类为TPU芯片、BPU芯片和NPU芯片。TPU为张量处理器，专用于机器学习。如Google于2016年5月研发针对Tensorflow平台的可编程AI加速器，其内部指令集在Tensorflow程序变化或更新算法时可运行。BPU是大脑处理器，是由地平线科技提出的嵌入式人工智能处理器架构。NPU是神经网络处理器，在电路层模拟人类神经元和突触，并用深度学习指令集直接处理大规模电子神经元和突触数据。ASIC芯片特点CPU等传统芯片通过读取、执行外部程序代码指令而生成结果，相对而言，ASIC芯片读取原始输入数据信号，并经内部逻辑电路运算后直接生成输出信号。（1）优点：相对CPU、GPU、FPGA等类型芯片，ASIC芯片在专用系统应用方面具备多元优势，具体表现在如下几方面。面积优势:ASIC芯片在设计时避免冗余逻辑单元、处理单元、寄存器、存储单元等架构，以纯粹数字逻辑电路形式构建，有利于缩小芯片面积。应对小面积芯片，同等规格晶圆可被切割出更多数量芯片，有助于企业降低晶圆成本。能耗优势：ASIC芯片单位算力能耗相对CPU、GPU、FPGA较低，如GPU每算力平均约消耗0.4瓦电力，ASIC单位算力平均消耗约0.2瓦电力，更能满足新型智能家电对能耗的限制。集成优势：因采用定制化设计，ASIC芯片系统、电路、工艺高度一体化，有助于客户获得高性能集成电路。价格优势：受到体积小、运行速度高、功耗低等特点影响，ASIC芯片价格远低于CPU、GPU、FPGA芯片。当前全球市场ASIC芯片平均价格约为3美元，远期若达到量产规模，ASIC芯片价格有望保持持续下降态势。（2）缺点：ASIC芯片定制化程度较高，设计开发周期长，成品需要做物理设计和可靠性验证，面市时间较慢。ASIC芯片对算法依赖性较高。人工智能算法高速更新迭代，导致ASIC芯片更新频率较高。因ASIC芯片定制化程度较高，研发周期相对漫长，扩大了ASIC成品被市场淘汰的风险。ASIC芯片产品介绍谷歌于2016年推出TPU，谷歌旗下2017版AlphaGo物理处理器中镶嵌4个TPU，可支持谷歌云TPU平台和机器学习超级计算机。IBM通过模拟大脑结构于2014年8月推出制程为28纳米的第二代TrueNorth芯片，可应用于实时视频处理。英特尔于2017年推出Xeon系列ASIC芯片。该系列芯片可独立充当处理器，无需附加主机处理器和辅助处理器，可应用于机器深度学习。斯坦福大学推出基于新神经形态计算架构的ASIC芯片运算速度为普通电脑9,000倍，可模拟约100万个大脑神经元、几十亿个突触连接。新兴科创企业将ASIC芯片应用拓展至安防、辅助驾驶、传统家电、智慧医疗等领域。中国ASIC芯片产品销售规模持续增长依据包括但不限于以下因素：边缘计算领域将成为专用深度学习ASIC芯片主要营收领域。移动通信设备、头显设备